3.2.2 Kristallgalerie

Einfache Kristalle

Schauen wir uns mal ein paar Kristallbildchen an; nur um ein Gefühl dafür zu bekommen, was man mit einem Gitter und einer Basis so alles anfangen kann.
Erst mal wichtige Strukturen für die Elektrotechnik. Die Striche sind Hilfslinien. Sie illustrieren zwei völlig verschiedene Dinge: 1. das Bravaisgitter (z. B. die "Würfel"), 2. die kovalenten Bindungen.
 
Diamant Struktur Zirkonoxid Wurtzit
Diamantstruktur;
auch Zinkblende (ZnS) Struktur oder
Sphalerit genannt		 Calciumfluoridstruktur (CaF2)
auch Zirkonoxid (ZrO2) Struktur genannt.		 Wurtzit Struktur
Cdia, Si, Ge, GaAs, InP, GaP, ...
Fas alle wichtigen Halbleiter		 Wichtige Sensoren (z. B. Lambda Sonde) GaN, (SiC)
GaN ist Schlüsselmaterial für Optoelektronik
 
Hier sind die einfachsten Ionenkristalle:
 
NaCl Struktur CsCl Struktur
NaCl Struktur
KCl, AgBr, KBr, PbS, ... oder MgO, FeO, ...
 CsCl Struktur
TlJ, ..., oder AlNi, CuZn
   
Wer glaubt dass die CsCl Struktur entsteht indem man Atome auf ein bcc Gitter setzt, hat etwas gründlich misverstanden!
Perowskite gewinnen immer mehr an technischer Bedeutung. Es sind immer drei verschiedene Atome beteiligt, und der prizipielle Aufbau ist sehr einfach:
 
Perowskit
Typischer Vertreter: BaTiO3 (Ba bei (0,0,0), O bei (½, ½, 0) and Ti im Zentrum bei (½, ½, ½)
oder CaTiO3 ; aber auch YBaCuO7
   
Bei der etwas merkwürdigen Substanz YBaCuO7 sollte jetzt vielleicht leise ein Glöcken im Hirn zu klingeln anfangen.
 

Kompliziertere Kristalle

Schon die einfachsten natürlichen Mineralien haben in der Regel komplizierte Kristallstrukturen.
Das ergibt sich meist schlicht aus der Tatsache, dass 3,4,5,...viele Atomsorten beteiligt sind. Aber schon mit nur zwei Atomsorten kann's trickreich werden:
 
Korund Opal
Halbe Elementarzelle von Korund = schlichtes Aluminumoxid (Al2 O3 ) Opal im Rasterelektronenmikroskop
Verwendet für Schmirgelpapier oder, falls einkristallin als Substart für Optoelektronik, kratzfestes "Glas" für teure Uhren und mit etwas
Cr oder Ti verunreinigt,
als Schmuckstein (Rubin bzw. Saphir).		 Dichte Kugelpackung (fcc) von kleinen amorphen SiO2
(= Qarzglas) Kügelchen. Sehr merkwürdig!
 Spinel Struktur  
Spinelle = die Welt der Mineralien.
Grundformel: (A8) (B16)O32 		Magnetit: Fe3+( Fe2+ Fe3+)O4,
Spinel: Mg2+( Al23+)O4
 
Wenn wir jetzt noch die Biologie bemühen, wird's richtig kompliziert. Wer überdies noch den Link betätigt, lernt sogar noch was über Kristalle in 6 (!) Dimensionen.
 
   
Proteinkristall Eiweissmolekül
Relativ simples Protein als Basis; Anordnung in einem Kristall.
 Ein komplexes Protein als Basis. Die "Bänder" symbolisieren C-Ketten mit Nebengruppen
Proteinkristall
Realer Proteinkristall mit komplexer Basis
 
Jetzt müsste sich eine Frage aufdrängen: Woher weiß man eigentlich, dass das komplex Protein oben rechts räumlich so aufgebaut ist wie gezeichnet? Oder ganz allgemein: dass alle hier gezeigten Strukturen so sind wie gezeichnet?
Antwort: Aus der Strukturanalyse von Kristallen mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse (man kann auch Elektronenstrahlen oder Neutronenstrahlen nehmen). Um die räumliche Struktur eine Proteins aufzuklären (das seine Funktion bestimmt), muss man
  1. Das Molekül dazu bringen zu kristallisieren (Schwierig, mühsam und nicht immer möglich).
  2. Die Struktur durch Röntgenbeugung bestimmen (Nur mit Grossrechner und sehr viel Theorie machbar).
Das paradigmatische Beispiel ist: Bestimmung der DNA Struktur durchWatson, Crick und Franklin; Anfang der 50er Jahre
     
Fragebogen
Schnelle Fragen zu 3.2
     

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© H. Föll (MaWi für ET&T - Script)